基于Ga2O3/n-Ga2O3核壳结构实现快速响应的Mott势垒型日盲紫外雪崩探测器的研究

β-Ga2O3（Ga2O3）based micro/nano materials are one of the candidates for fabricating solar-blind UV photodetectors. Nowadays, planar-structure solar-blind UV photodetectors based on Ga2O3 micro/nano materials possess a slow response speed, while photodetectors based on heterojunction or Schottky junction vertical structure is able to realize fast response. Considering the problems of narrow bandgap of hetero-material interfering solar-blind UV signal, and the poor crystal quality and electrical properties from bottom contact material resulting in the low responsivity of photodetector, our project will design and demonstrate Mott barrier-type Ga2O3/n-Ga2O3 core-shell structure avalanche photodetector, in which Sn-doped n-Ga2O3 microribbons serve as the bottom contact layer. Through charactering the material and device properties, researches of the relationship of material properties of n-Ga2O3 and core-shell structure and the relationship of their material properties and photoelectrical properties of the photodetector will be carried out. Through energy band theory and software simulation , the working mechanism of photodetector will be explained, revealling the controlling mechanism of device structure to photoelectrial properties. Mott barrier-type core-shell structure avalanche photodetector is anticipated to provide a feasible strategy to realize high performance solar-blind UV photodetectors with low dark current, high responsivity, and fast response speed, which will be of significant importance to promote their practical applications in the future.

β-Ga2O3（Ga2O3）微纳米材料是制备日盲紫外探测器的优选材料之一。目前，Ga2O3微纳米材料平面结构探测器响应速度较慢，异质结或肖特基结垂直结构器件可实现快速响应。针对异质结器件面临的异质材料带隙窄，干扰日盲紫外信号的问题，以及肖特基结器件面临的底接触晶体质量和电学性能差，导致器件响应度较低的问题，本课题拟设计和制备以Sn掺杂n-Ga2O3微米带为底接触的Mott势垒型Ga2O3/n-Ga2O3核壳结构雪崩探测器。通过对材料和器件性能进行表征，研究n-Ga2O3材料特性与核壳结构材料特性以及器件光电特性之间的关系，通过能带理论和软件模拟解释探测器工作机制，揭示器件结构对光电特性的调控规律。Mott势垒型核壳结构雪崩探测器，有望为实现具有低暗电流、高响应度和快速响应特性的高性能日盲紫外器提供有效的解决方案，对Ga2O3日盲紫外探测器面向实际应用具有重要的意义。

Ga2O3是制备日盲紫外探测器的理想材料之一，在众多军民领域具有巨大的科研价值和应用前景。目前Ga2O3基日盲紫外探测器多以金属-半导体-金属（MSM）的平面结构为主，虽可实现>1000A/W的高响应度，但高响应度又是由高密度缺陷引起的持续光导导致的。因此，材料结晶质量低，器件性能可控性差，响应速度很慢（几秒到几十秒），这些都制约了器件的进一步应用。本课题围绕实现具有低暗电流、高响应度和快速响应特性的Ga2O3基日盲紫外探测器展开研究。本项目的主要研究内容为构建Ga2O3核壳结构雪崩探测器，以实现高性能日盲紫外探测。本项目从制备Sn掺杂Ga2O3薄膜和微米线入手，揭示了Sn掺杂过程中薄膜和微米线材料具有相同的演化规律，即由单一Sn掺杂Ga2O3相演化成SnO2和Ga2O3混合相。特别对于微米线材料，Sn掺杂的过程中形成了SnO2-Ga2O3核壳结构微米线。利用镊子夹取和Ag浆液滴注工艺,本项目制备了SnO2-Ga2O3核壳结构微米线日盲紫外雪崩探测器。在30V反向偏压下，SnO2与Ga2O3异质结出现反向击穿.击穿电压具有正的温度系数（0.35V/K），表明产生了雪崩击穿。在雪崩下，器件的暗电流为500pA,峰值响应度为3923 A/W（245nm），探测截止边为263nm，探测率为1e15 Jones，下降时间为0.8s。除响应时间未达预期外，其他性能指标均优于预期水平。同其他Ga2O3基雪崩探测器相比较，核壳结构雪崩探测除响应速度相对较慢外，暗电流更低且探测率和响应度更高。但其他Ga2O3基雪崩探测器制备工艺更加复杂且成本昂贵。响应时间较慢与Ga2O3壳层发生了持续光导有关。即便如此，响应时间也比具有可比较响应度的Ga2O3基MSM探测器更快。总之，本项目实现了工艺简单、成本低廉且可大规模制备的SnO2-Ga2O3核壳结构微米线日盲紫外探测器。该探测器具有高响应度、低暗电流以及高探测率等优异特性，在低速日盲紫外探测领域，如导弹预警、电晕放电检测、高温火焰监控、生化医学、刑侦检测和环境监控等，具有巨大的应用前景。